模块3无机胶凝材料

建筑材料模块3无机胶凝材料3.1水硬性胶凝材料3.2气硬性胶凝材料了解各类水泥的定义、分类及组成材料。理解水泥的凝结、硬化机理及影响凝结硬化的因素。掌握硅酸盐水泥的技术性质要求、技术指标检测方法和检测结果的评价。掌握水泥运输和保管方法。理解石灰水化、凝结、硬化机理，石灰技术指标的含义及其工程意义。掌握水玻璃模数与其黏结性能的关系，了解水玻璃在建筑工程中的应用。知识目标模块3无机胶凝材料3.1水硬性胶凝材料1.通用水泥的生产生产通用水泥的原料又称生料，主要包括石灰质和黏土质两大类。常用的石灰质原料包括石灰石、白垩等，主要提供CaO；常用的黏土质原料包括黏土、黄土等，主要提供SiO2、Al2O3及Fe2O3。为了补充两种原料化学组成的不足，有时还要加入少量校正原料，如黄铁矿渣等。生产水泥的生料中四种氧化物CaO、SiO2、Al2O3及Fe2O3的含量要求见表3-1。3.1.1通用水泥1）生产原料3.1水硬性胶凝材料表3-1水泥生料中化学成分的含量范围要求3.1水硬性胶凝材料通用水泥的生产工艺可概括为“两磨一烧”，即生料的磨细、生料的煅烧和熟料的磨细三个步骤，工艺流程如图3-1所示。2）生产工艺图3-1通用水泥生产工艺流程3.1水硬性胶凝材料2.通用水泥的组分与材料1）组分表3-2通用水泥各组分的百分率3.1水硬性胶凝材料（1）硅酸盐水泥熟料。熟料的矿物名称、简式和含量等见表3-32）材料表3-3硅酸盐水泥熟料的主要矿物名称、简式和含量3.1水硬性胶凝材料（2）石膏。石膏在水泥生产中起着缓凝剂的作用，主要用于延缓由铝酸三钙导致的水泥闪凝或假凝现象。（3）活性混合材料。活性混合材料是一种或一类矿物材料的总称，其特点是将其磨成细粉后加水本身并不硬化，但与水泥或石灰等加水拌和后，既能在水中又能在空气中发生水化、凝结和硬化反应。生产水泥时常用的活性混合材料主要有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰。（4）非活性混合材料。3.1水硬性胶凝材料1.石膏在水泥生产中起着（）剂的作用，但必须严格控制石膏的加入量，即一定要控制加入（）量的石膏，否则过量的石膏会导致硬化水泥石的体积（）性不良。2.生产水泥时掺加的活性混合材料主要有（）、（）、（）三种。它们单独不能与水作用，但与水泥或（）等拌和在一起加水拌和后既能在（）中又能在空气中水化、凝结和硬化。跟踪自测3.1水硬性胶凝材料3.水化、凝结与硬化1）水化水泥熟料与水的反应称为水化，水化反应过程如下。（1）水泥熟料的水化。水泥熟料的四种矿物成分分别与水发生反应，反应式如下。2C3S+6H→C3S2H3+3CH+中热（较快）2C2S+4H→C3S2H3+CH+低热（慢速）C3A+6H→C3AH6+高热（快速）C4AF+7H→C3AH6+CFH（水化铁酸钙）+中热（中速）3.1水硬性胶凝材料表3-4硅酸盐水泥各种熟料矿物单独与水作用的特性3.1水硬性胶凝材料（2）石膏的水化。试验表明，纯水泥熟料磨细与水拌和后，在很短的时间内即可凝结，不方便工程使用。为调节水泥的凝结时间，掺入适量的石膏，使其与凝结速度最快的铝酸三钙作用，生成难溶的水化硫酸铝钙，覆盖在铝酸三钙的周围，阻止或减慢其水化速度，起到延缓水泥凝结的作用。石膏的水化反应为C3AH6+3CaSO4·H2O+19H→C3AS3H31（高硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾石）石膏耗尽后进行以下反应。C3AS3H31+C3AH6→C3ASH12（单硫型水化硫铝酸钙）3.1水硬性胶凝材料表3-5硅酸盐水泥熟料的水化产物3.1水硬性胶凝材料综合分析硅酸盐水泥的水化过程，可以得出以下结论。①水化反应过程是一个放热过程。②水泥反应体系是一个碱性体系。③主要的水化产物是水化硅酸钙(CSH)（占70%）和氢氧化钙(CH）晶体（占20%），其中水化硅酸钙凝胶体(CSH)是提供水泥黏结强度的主要成分。④石膏在水泥中起着缓凝剂的作用，但要控制加入适量的石膏，避免因石膏过量而引起水泥石的安定性不良。3.1水硬性胶凝材料（3）活性混合材料的二次水化。掺粉煤灰、火山灰质混合材料、粒化高炉矿渣等活性混合材料的水泥，其水化反应的特点是“二次水化”。当把上述三种水泥加水拌和后，首先是水泥中的熟料发生水化反应，即所谓的“一次水化”，其水化产物与硅酸盐水泥的水化基本相同；在有Ca（OH）2的条件下，活性混合材料发生水化反应，即所谓的“二次水化”，其水化产物为具有胶凝性质的水化硅酸钙和水化铝酸钙等。掺活性混合材料的水泥的水化反应，是一次水化和二次水化交替进行、相互促进的化学反应过程，而凝结硬化过程与硅酸盐水泥基本相同。3.1水硬性胶凝材料2）凝结与硬化水泥加水拌和后最初形成具有可塑性的浆体，随着水化产物的不断生成，浆体逐渐变稠至开始失去可塑性，这一过程称为初凝；当浆体稠度增大至完全失去可塑性并开始产生强度时称为终凝。硬化后的水泥石是由水化产物（凝胶体、结晶体）、未水化的水泥颗粒和水分蒸发形成的毛细孔、凝胶体中的凝胶孔组成。水泥石的强度主要取决于各水化产物的相对含量和孔隙的数量、大小、形状和分布情况，如图3-2所示。3.1水硬性胶凝材料1—水泥颗粒；2—水分；3—凝胶；4—晶体；5—水泥颗粒的未水化的内核；6—毛细孔图3-2水泥凝结硬化过程3.1水硬性胶凝材料3）影响水泥凝结硬化的主要因素(1)水泥熟料的矿物组成。由图3-3可以看出，水泥各种熟料矿物成分单独与水作用时强度增长的速度是不相同的，因此，不同比例的矿物组成的熟料，在相同龄期条件下其强度发展速度亦有所不同。图3-3不同矿物成分的抗压强度与龄期的关系3.1水硬性胶凝材料(2)水泥细度。细度即水泥颗粒的粗细程度。当熟料矿物成分相同时，水泥越细，比表面积越大，水化时与水的接触面积越大，水化越迅速、越充分，凝结硬化的速度越快，早期强度越高。(3)拌和用水量。水胶比对水泥石强度的影响见表3-6。表3-5硅酸盐水泥熟料的水化产物3.1水硬性胶凝材料(4)石膏的掺量。生产硅酸盐水泥时，应根据试验掺入适量的石膏。(5)混合材料掺量。混合材料的掺量越多，水泥熟料的相对含量越少，水泥水化反应速度越慢，早期强度越低。(6)养护条件。养护条件通常指养护环境的温度和湿度。(7)养护龄期。龄期是指从水泥加水拌和时起至实测水泥性能时止所经历的养护时间。3.1水硬性胶凝材料1.水泥颗粒越细，水化速度越（）；其他条件一定时，水胶比越大，水泥石强度越（）。2.在良好的养护条件下，龄期越长，水泥石强度越（）；养护环境湿度越大，混凝土强度增长越（）。3.掺活性混合材料的水泥，水化时要进行（）次水化，但抗酸性腐蚀能力较硅酸盐水泥（）。跟踪自测3.1水硬性胶凝材料4.通用水泥的技术要求和技术标准1）技术要求(1）化学性质。①MgO含量。MgO来源于生产水泥的原料。②SO3含量。SO3来源于生产水泥时掺入的石膏，或者煅烧水泥熟料时加入的石膏矿化剂。③烧失量。烧失量是成品水泥再次煅烧时质量损失的百分率。④不溶物。不溶物是指水泥中不发生水化反应的残渣。通用水泥的化学指标应符合表3-7的规定。3.1水硬性胶凝材料表3-7通用水泥的化学指标要求3.1水硬性胶凝材料（2）物理性质。①细度。细度是指水泥颗粒的粗细程度。细度直接影响水泥的需水量、凝结时间、强度体积安定性。②标准稠度用水量。③凝结时间。④体积安定性。3.1水硬性胶凝材料平衡含水率（1）比表面积在400m2/kg以上的高强度等级的水泥，由于其颗粒比较细，凝结较快，水化热集中，对混凝土的体积稳定性有不利影响，使混凝土产生裂缝的可能性增加，所以使用时应慎重考虑。（2）高速铁路高性能混凝土要求水泥细度不大于350m2/kg。知识拓展3.1水硬性胶凝材料（3）力学性质。力学性质主要包括强度和强度等级。硅酸盐水泥各龄期强度见表3-8，其他通用水泥则按《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419—2005）进行。不同品种不同强度等级的通用水泥在不同龄期的强度应符合表3-8的规定。3.1水硬性胶凝材料表3-8通用水泥各龄期强度3.1水硬性胶凝材料由于R型水泥的3d强度较普通型高，其水化热放出比较集中，可能会导致混凝土的早期裂缝。所以，如果工程中对混凝土早强没有特别要求时，尽量不要选用R型水泥。知识拓展3.1水硬性胶凝材料2）技术标准表3-9通用水泥的技术标准3.1水硬性胶凝材料1.某矿渣硅酸盐水泥500g，加入132g水拌制成水泥净浆，用标准维卡仪测其稠度时，标准试杆在浆体中下落距离为33.5mm，则该状态的水泥浆体为（）稠度的浆体，此稠度状态的用水量称为（）用水量，其值为（）%。2.引起水泥体积安定性不良的因素包括（）、（）、（）。国家标准规定水泥安定性用（）法检验且必须合格3.测定水泥的（）和（）两个技术指标时必须使用标准稠度的水泥净浆。跟踪自测3.1水硬性胶凝材料5.硅酸盐水泥石的腐蚀和防护1）腐蚀的类型（1）溶析性侵蚀。研究表明，水泥的各种水化产物必须在一定浓度的Ca（OH）2溶液中才能稳定存在，当Ca（OH）2浓度小于某一极限浓度时，水泥的其他水化产物将被溶解或分解，导致水泥石结构破坏，即水泥石被腐蚀。（2）酸类腐蚀。①碳酸腐蚀。在雨水、工业污水及地下水中，常含有较多的CO2，当其含量超过一定量时，将使水泥石结构遭到破坏。②其他酸的腐蚀。在工业废水、地下水、沼泽水中常含有盐酸、硝酸、氢氟酸等无机酸和醋酸、蚁酸等有机酸；工业窑炉中的废气常含有二氧化硫，遇水后即生成亚硫酸。（3）盐类的腐蚀。①硫酸盐的腐蚀。②镁盐的腐蚀。（4）强碱的腐蚀。3.1水硬性胶凝材料2）腐蚀的原因水泥石的腐蚀过程是一个十分复杂的物理化学作用过程，产生腐蚀的原因有以下几点。（1）水泥石中存在能引起腐蚀的组成成分，即氢氧化钙和水化铝酸钙等。（2）水泥石本身结构不密实，内部有很多毛细孔通道。（3）环境中有腐蚀性介质的存在。当腐蚀性物质处于溶液状态且浓度较高时容易发生腐蚀。环境温度较高，水流速度较快，结构物经常处于干湿交替状态时，腐蚀程度往往加重。3.1水硬性胶凝材料3）防腐措施（1）根据建筑物所处的环境特点，合理选择水泥品种。（2）提高水泥石的密实度。①降低水胶比，提高水泥石自身结构的密实度。②提高混凝土结构物的密实度。③敷设耐蚀保护层。3.1水硬性胶凝材料6.通用水泥的特性及工程应用1）硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的特性（1）强度等级高，强度发展快。（2）水化热大，抗冻性好。（3）碱度高，抗碳化能力强。（4）耐腐蚀性差。（5）耐热性较差。（6）湿热养护效果差。3.1水硬性胶凝材料2）粉煤灰、火山灰质、矿渣、复合硅酸盐水泥的特性（1）早期强度低，后期强度高。由于熟料矿物含量少，且二次水化速度慢，故凝结硬化稍慢，早期强度较低，适用于无早强要求的工程。粒化矿渣、矿渣硅酸盐水泥与硅酸盐水泥强度增长情况比较如图3-4所示。（2）水化热低，抗冻性差。掺合料水泥中，熟料较少，二次水化反应慢，所以水化热低，宜用于大体积的混凝土工程。（3）抵抗软水、海水和硫酸盐腐蚀的能力较强，抗碳化能力较差。3.1水硬性胶凝材料1—硅酸盐水泥；2—矿渣硅酸盐水泥；3—粒化高炉矿渣图3-4粒化矿渣、矿渣硅酸盐水泥与硅酸盐水泥强度增长情况比较3.1水硬性胶凝材料3）粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的特性（1）矿渣硅酸盐水泥。①耐热性较强。矿渣出自炼铁高炉，常作为水泥的耐热掺料使用，可用于耐热混凝土工程。②泌水性和干缩性大，抗渗性差。（2）火山灰质硅酸盐水泥。①抗渗性好，耐水性强。②干燥环境中收缩大，易产生裂缝。（3）粉煤灰硅酸盐水泥。①干缩性小，抗裂性好。②泌水快，易失水产生裂缝。（4）复合硅酸盐水泥。六种通用水泥的特征及应用见表310。3.1水硬性胶凝材料1.道路硅酸盐水泥以道路硅酸盐水泥熟料（以硅酸钙为主要成分且含有较多量的铁铝酸盐的硅酸盐水泥熟料）、0～10%活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为道路硅酸盐水泥，简称道路水泥。3.1.2专用水泥1）定义3.1水硬性胶凝材料2）技术性质及工程应用(1)耐磨性好。(2)强度高，特别是抗折强度高。(3)干